310S不锈钢超声冲击辅助电弧增材成形工艺与性能研究

作     者：岳天宇 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李建军;温东旭

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：310S不锈钢 电弧增材 超声冲击 微观组织 力学性能 

摘      要：310S不锈钢具有良好的力学性能、可焊性和高温稳定性,被广泛应用于核能、化工等领域。电弧增材制造技术具有高效率低成本的优点,已在不锈钢、钛合金、高温合金等构件制造中得到应用。但是由于电弧增材成形件微观组织为铸态组织,力学性能不佳,同时电弧增材制造工艺参数对310S不锈钢微观组织和力学性能的影响尚不清楚。本文面向310S不锈钢核电管道局部结构的制造,开展了310S不锈钢超声冲击辅助电弧增材成形工艺和性能研究,搭建了超声冲击辅助电弧增材制造平台,对成形构件进行微观组织和力学性能的实验分析,研究了线能量密度、冷却速率、超声冲击与电弧增材成形310S不锈钢的微观组织和力学性能的关系。首先,针对逐层沉积后超声冲击方案,设计了超声冲击枪夹持装置与三轴运动平台相结合的超声冲击辅助电弧增材制造平台,重点对夹持装置及其与三轴移动平台连接处的螺栓进行了强度分析与设计,搭建了超声冲击辅助电弧增材制造平台。其次,研究了电弧增材制造过程中工艺参数和冷却速率对310S不锈钢微观组织和力学性能的影响。结果表明,电弧增材成形的310S不锈钢构件微观组织主要由奥氏体柱状树枝晶、σ相和MC碳化物组成。随着线能量密度的增大,310S不锈钢直壁件底部区域的奥氏体一次枝晶间距逐渐增加,第二相析出数量增多。同时,随着线能量密度的减小或冷却速率的增加,电弧增材成形310S不锈钢的力学性能逐渐提高。当线能量密度为750 J/mm时,电弧增材310S不锈钢抗拉强度最大,可达501.69 MPa,但仍低于310不锈钢锻件的力学性能。最后,研究了超声冲击对电弧增材310S不锈钢微观组织和力学性能的影响。研究发现,超声冲击辅助工艺可有效细化奥氏体晶粒,这是由于超声冲击引发的沉积层塑性变形提高了组织内部的位错密度,受后续增材再热作用影响,再结晶细化现象明显。当线能量密度为750 J/mm时,310S不锈钢直壁件底部区域平均晶粒尺寸为40.88μm,达到最小,屈服强度和抗拉强度达到峰值,均高于310S不锈钢锻件标准。